DNA是脱氧核糖核苷酸的英文Deoxyribonucleic acid的缩写。它是生物界中最重要的的大分子，蕴藏着丰富的遗传信息，在生物进化过程中扮演着至关重要的角色。　　 DNA分子是结构复杂的生物大分子。1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的双螺旋结构，它的螺旋骨架由磷酸和五碳糖通过共价键连接而成，连接在五碳糖上的四种碱基：腺嘌呤(A-Adenine)、鸟嘌呤(G-Guanine)、胸腺嘧啶(T-Thymine)和胞嘧啶(C-Cytosine)按照互补配对的原则通过氢键结合，这是DNA的复制与转录的基础。因此DNA分子的结构中蕴藏着决定遗传、细胞分裂、分化、生长和蛋白质生物合成等生命过程的信息。　　 近年来，DNA分子中的电荷输运性质已经逐渐成为生物学、化学、物理学以及纳米科学等多个交叉学科的研究热点。一方面，研究DNA分子中的电荷输运性质可以使我们更好的了解DNA损伤的相关信息，对生命科学尤其是对揭示DNA损伤相关的致病机理有至关重要的作用。另一方面，随着分子器件小型化的发展思路以及纳米制备技术的快速发展，寻找和研究性能优异的分子器件材料成为分子电子学的主要任务。如有机小分子、生物大分子以及碳纳米管等都成为热门的研究对象。DNA分子具有两个特殊的性质：互补碱基对之间的自识别与基于互补配对原则的碱基自复制，使其成为理想的分子器件候选材料。因此研究DNA分子中的电荷输运性质对发展DNA相关的分子器件具有非常重要的意义。正是基于这个出发点，研究和揭示DNA分子中的电荷转移本质成为物理学界最新的热点之一。　　 DNA电荷输运的实验研究指出，DNA分子可能是导体、半导体、绝缘体甚至超导体，体现出丰富的电学性质，实验结果存在很大争议。这是由于DNA分子是具有复杂结构的生物大分子，具有软性，很多内部(分子构型、碱基序列等)和外部(温度、湿度、溶液、杂质等)因素都会影响它的电荷输运能力。理论研究方面，为了描述这种复杂的结构，研究者建立了很多模型来对它进行研究，目前已提出的有一维紧束缚模型、梯子模型、PBH(Peyrard-Bishop-Holstein)模型、鱼骨模型、三维紧束缚模型等，均从不同侧重点反映了DNA分子复杂电荷输运图像。此外，各种内部、外部因素对DNA分子的电子结构及其电荷输运性质的影响也被广泛研究。　　 由于DNA分子是软性分子，具有强的电子晶格相互作用，电荷的注入会诱导晶格畸变的发生，反过来，晶格的畸变会束缚住电子，两者相互影响、相互作用。因此，DNA分子中的载流子不再是传统的电子或空穴，而是电荷的自陷元激发，如极化子、双极化子等准粒子。在电场作用下，电荷便会拖拽着晶格畸变一起运动，实现电荷的输运。目前DNA分子中极化子动力学性质的研究刚刚起步，在此领域还有一些关键问题尚不清楚，包括分子结构的改变，温度效应，链间耦合，电子-电子相互作用，碰撞等因素对极化子动力学性质的影响。　　 在本文中，我们首先采用紧束缚模型结合非绝热动力学的方法，系统的研究了DNA分子的螺旋结构对载流子动力学输运性质的影响。随后研究了温度效应对DNA分子中极化子的稳定性和运动的影响。此外由于DNA分子中各种碱基的在位能不同，正负电荷有不同的输运通道，我们又研究了双链DNA分子中的正负极化子碰撞过程以及碰撞后各产物的生成几率。具体内容和主要结果如下：　　 1、DNA分子的螺旋角对极化子动力学性质的影响：　　 近年来，由于在分子电子学中的潜在应用价值，DNA分子的导电性引起了广泛的研究热潮。由于DNA分子的软性，外部环境(受力、温度、湿度等)的影响，会使沉积在衬底样品上的DNA分子产生扭曲和形变。而螺旋结构的变化会对DNA分子的电子结构和电荷输运性质产生显著的影响。在本章中，我们采用紧束缚模型结合非绝热动力学方法研究了DNA分子的螺旋角空间分布对极化子动力学性质的影响。　　 首先描述了B-DNA分子中的极化子图像，若最高占据分子轨道(HOMO)上的一个电子被激发，大约需要4ps的时间可以弛豫形成一个稳定的极化子，此极化子扩展在约5个碱基对之间。在分子链内施加电场，极化子将在相邻碱基对之间均匀运动并释放声子，因此，极化子运动的瞬时速度和宽度围绕一个平均值做小幅振荡。　　 在螺旋结构均匀旋松的DNA分子中，由于相邻碱基对平面之间的垂直距离增加，破坏了巡游π-电子的交叠，电子跃迁积分减小，极化子局域性增强，其运动的平均速度减小，不利于电荷的输运；反之，在均匀旋紧的DNA分子中，巡游π-电子的交叠增强，极化子的局域性减弱，运动的平均速度增加，促进了电荷的输运。　　 存在单个螺旋缺陷的DNA分子中，单个旋紧的螺旋缺陷扮演着势阱的角色，相反单个旋松的螺旋缺陷是势垒，极化子在运动过程中会受到势阱的束缚(或势垒的阻挡)作用，随着螺旋缺陷的增强，极化子穿越缺陷所需的临界电场随之增强。　　 在螺旋角无序分布的DNA分子中，极化子的运动呈现无序分立式的电荷转移，其瞬时速度和宽度都发生了明显的变化，电荷输运方式为场助的隧穿。　　 2、温度效应对DNA分子中极化子动力学性质的影响：　　 由于在生物化学领域的重要意义以及在分子电子学中的潜在应用，DNA分子中的电荷输运性质引起了研究者的广泛关注和深入研究。其中温度环境对DNA分子导电性的影响是研究热点之一。在本章中，我们采用紧束缚模型结合非绝热动力学方法研究了温度效应对DNA分子中极化子动力学性质的影响。　　 首先，我们讨论了在有限温度下氢键热涨落对DNA分子中极化子稳定性的影响。在低温下，氢键涨落的振幅比较小，不足以破坏极化子的稳定性；在室温范围，氢键涨落幅度比极化子的氢键缺陷还要大，作用非常强，局域的极化子会很快解离，成为空间扩展的电子态，极化子不能稳定存在；在中间温度区域，极化子会经历一个较长时间的解离过程。在整个温度区间上，极化子保持局域性的特征时间随温度的升高呈现指数降低。　　 沿DNA分子链方向施加电场，则极化子在有限温度下以无序分立的跃迁形式运动，运动速度呈现较大幅度的无规振荡，运动的无规性随温度的升高而增强。极化子运动的平均速度随温度的升高而增大，温度引起的氢键热涨落促进了极化子的运动，暗示DNA分子的导电性提高，与近期的相关实验报道定性吻合。　　 此外，增强分子内的电子-晶格耦合，可以使极化子在更长的时间内保持定域性，极化子稳定性得到提高，但运动速度减慢。　　 3、双链DNA分子中的正负极化子对碰撞问题研究：　　 有机分子作为一种新型的功能材料，不但具有电特性，而且具有非常丰富的磁、光等特性，引起研究者们的关注。近期人们开始关注多种成分的有机小分子混合物，正、负极化子在混合物中具有不同的输运通道，通过改变不同小分子的组分就可以实现对器件磁致电导(Magnetoconductance)和磁电发光(Magnetoelectroluminescence)等性质的调控。由于存在四种在位能不同的碱基，DNA分子可以看作是天然的有机“混合物”。研究正负极化子对在双链DNA分子中的输运、碰撞、复合等过程对实现可控的有机分子器件具有非常重要的理论指导意义。　　 在本章中，我们采用梯子模型，结合非绝热动力学方法，讨论了双链poly-DNA分子中正负极化子对的碰撞过程以及碰撞后各产物的生成几率。研究发现，极化子对碰撞后的产物主要有激子、正负极化子对以及自由电荷；而电场强度、链间耦合、碱基在位能和电子-电子相互作用等因素都会对碰撞后各产物的生成几率存在显著的影响。在低电场范围内，激子的生成几率可接近100％；在中等电场区域，系统保持初始正负极化子对状态的几率比较大，可以有效的实现电荷输运，而激子的生成几率迅速降低为0；自由电荷的生成几率随电场增加有提高的趋势。在链间耦合较弱的系统中，碰撞后系统保持为初始组态的几率接近100％；在链间耦合较强的系统中，碰撞后的的主要产物除了正负极化子对还有自由电荷；若链间耦合处于中等强度，则碰撞后主要产生激子，几率接近100％。而提高互补碱基之间的在位能之差或是增强系统内的电子-电子相互作用强度可以有效提高激子态的产率。此外由于链间耦合的存在，加之两条子链上碱基的在位能不同，双链DNA分子中的正负极化子对碰撞后形成的激子为链问激子。